增材制造的氧化鋁的強度研究

供稿人:王成玉 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

先進陶瓷具有良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蝕性等性能，在實際應用中應用于特殊用途。但是將陶瓷材料制備成形所需的成本高，且加工燒結(jié)后的陶瓷零件所需的時間長，不利于設計結(jié)構(gòu)復雜的材料。增材制造技術(shù)為復雜結(jié)構(gòu)零件的設計提供了一種極佳的選擇。萊奧本礦業(yè)大學的J. Schlacher等人[1]研究了使用基于光刻的陶瓷制造技術(shù)3D打印氧化鋁零件件的強度，通過單軸和雙軸抗彎強度試驗研究了燒結(jié)參數(shù)、打印方向、表面情況（如機加工或3D打印）和幾何形狀對強度分布的影響，并在不同的樣件中確定和比較了如特征強度和威布爾模量等威布爾參數(shù)。

圖1 樣件A（機加工）中典型的體缺陷：（a）層間孔（x方向） （b）分層區(qū)域（z方向）（c）分層（y方向）
實驗結(jié)果表明燒結(jié)溫度越高的樣件具有更高的威布爾模量，其微觀組織越均勻。像分層或大的孔洞等典型的過程缺陷有可能影響抗彎強度。如薄弱的層間邊界或?qū)娱g的不均勻等沿著打印方向一致的面缺陷，當沿著打印方向施加載荷時，只降低了該方向上的強度，而不會影響其他加載方向的強度。然而，如打印件內(nèi)部的孔洞等體缺陷則會影響所有加載方向的強度。

圖2 樣件B1（機加工）中的次表面缺陷或面缺陷： （a）y方向的孔隙（b）x方向的加工缺陷

圖3 樣件B2（3D打印）的表面或者接近缺陷的表面：（a）y方向的波形面 （b）z方向上的人為損傷（c）在z方向的上表面可見（b）中的人為損傷
受打印路徑影響的表面質(zhì)量也會影響強度分布。然而，當打印參數(shù)設定較高時，打印后的表面強度可以與機加工后的表面強度相同，在后處理時要避免擦傷表面。

以上結(jié)論為提高LCM技術(shù)制造的氧化鋁陶瓷強度提供了建議，優(yōu)化后的LCM技術(shù)打印氧化鋁陶瓷的工藝在陶瓷制造中具有非常大的應用前景。

參考文獻：
J. Schlacher , T. Lube , W. Harrer , et al. Strength of additive manufactured alumina[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2020.